杨兰研究组实现线宽可调的超低阈值声子激光

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日前,美国圣路易斯华盛顿大学杨兰教授研究组巧妙利用耦合光机械微腔中的奇异点附近的特殊物理性质,实现线宽可调的超低阈值声子激光。

声子激光是光学激光的声子版本,可以在具有光机械效应的耦合光学微腔中实现。该项工作用一对玻璃制成的耦合的回音壁模式的微型环芯腔实现声子激光。

研究人员在实验中用表面镀有金属铬的针尖靠近其中一个回音壁模式微腔,由于金属铬在实验所用的1550nm光学波段光场具有很强的光吸收,因此通过调节镀铬针尖与回音壁模式微腔的距离,可以在较大范围内调节回音壁模式微腔的光耗散率。实验中用到的耦合光机械微腔存在一个特殊的相变点,称为奇异点(Exceptional point),通过利用镀铬针尖对回音壁模式微腔光耗散率的大范围调节,可以使得系统穿过此奇异点。

由于实验用到的耦合光机械系统在奇异点附近会出现很多新奇的物理效应如光机械耦合的有效增强、光机械非线性的增强、以及系统拓扑性质的变化,当研究人员在奇异点附近调控声子激光时,在实验上观测到一系列新奇的物理特性。首先,在奇异点附近观测到了声子激光阈值的突然降低。在实验中,当输入微腔中的光场的功率达到一定的阈值时,才能看到输出声学场的相干行为,即进入声子激光区,具体表现为声学场输出功率的突然提高,以及输出声学场线宽的突然变窄。从物理上讲,这是为了保证输入能量足够强使得作为增益介质的光学超模可以实现粒子数反转。这一阈值即为声子激光的阈值。通常,声子激光的阈值是较高的,这限制了声子激光的应用。研究人员在实验中发现在奇异点附近调节声子激光时,可以有效将声子激光的阈值降低两个数量级以上,这为声子激光在微弱信号处理、乃至在量子器件方面的应用提供了新思路。

其次,在奇异点附近看到了声子激光线宽的大范围变化,这使得我们在奇异点附近可以构造线宽大范围可调的相干声学信号探测器。这一特性在微纳传感领域将至关重要。事实上,将声子激光用于传感的一个主要需要解决的问题是声子激光的可调谐性,以使得声子激光作为相干声学信号探测器可以与被测对象有较好的响应。以超声探测为例,通常待探测的超声源带宽较宽且所属的频带不确定,需要探测器响应带宽在较大范围内可调,我们所实现的可调声子激光为超声信号的探测提供了可能。

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